автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Анализ и совершенствование импульсных рычажно-реечных механизмов для мускульных приводов

На правах рукописи

ТЮТРИНА Лариса Николаевна

АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ РЫЧАЖНО-РЕЕЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДЛЯ МУСКУЛЬНЫХ ПРИВОДОВ

05.02.02. - Машиноведение, системы приводов и детали машин.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курган-2004

Работа выполнена на кафедре "Детали машин" в ГОУ ВПО "Курганский государственный университет"

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Волков Глеб Юрьевич.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Беляев Арнольд Ефраимович

Кандидат технических наук Вязников Максим Валерьевич

Ведущая организация: ООО "Курганский автобусный завод" (КАВЗ).

, Защита состоится 19 декабря 2004 г. в 12" на заседании диссертационного совета Д212.103.01 при Курганском государственном университете

г.Курган, ул. | Гоголя, 25, КГУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курганского государственного университета.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 640669, г. Курган, ул. Гоголя. 25, КГУ, диссертационный совет Д212.103.01.

\

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета Заслуженный работник высшей школы РФ, кандидат технических наук, профессор

30289%

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Причины, поддерживающие интерес к механизмам, приводимым в движение мускульной силой человека, лежат в сферах экономики и физической культуры. Среди таких механизмов - и средства малой механизации, и технологические машины, и транспортные средства, в частности велосипеды. Задачи разработки и совершенствования мускульных приводов особенно актуальны в связи с обострением проблем экологии, оздоровления населения и вопросов реабилитации инвалидов.

Классическая схема привода двухколесного велосипеда с вращающимися педалями и цепной передачей в течение длительной истории своего существования доведена до высокой степени совершенства. Возможно, на данном этапе развития технологии, она является идеальной для тех моделей велосипедов, которыми пользуются здоровые, физически развитые и специально тренированные люди. Однако область использования мускульной силы человека в приводах шире.

Не всем и не всегда удобно вращательное движение педалей. Людям с ограниченными физическими возможностями, инвалидам, передвигающимся в колясках с ручным приводом, больше подходит возвратное движение педалей (или рукояток) по дуговой или прямолинейной траектории. С другой стороны, с наличием цепи, либо с вращательным движением педалей, не всегда удачно сочетаются компоновочные особенности объекта, например, веломобиля или швейной машины.

Возвратное движение приводных звеньев может быть преобразовано во вращение ведомого звена с помощью либо циклового, либо импульсного механизма. В последнем случае, помимо возможности включения привода в любой фазе движения педалей (рукояток), появляется возможность бесступенчатого регулирования передаточного отношения. Именно этот вариант схемы привода стал предметом нашего исследования.

Практическое использование импульсного привода не ограничивается только транспортными средствами, однако отработку его принципиальной конструкции и ее апробирование представляется более удобным произвести на обычной схеме двухколесного велосипеда.

Цель работы - разработать эффективный передаточный механизм для биологического привода транспортного средства с возвратно-вращательным движением ведущего звена.

Задачи исследования:

1. Систематизация и анализ существующих технических решений в области механизмов привода транспортных средств, использующих мускульную силу человека.

2. Изучение особенностей функционирования и техническое усовершенствование выбранной схемы привода - импульсной рычажно-реечной передачи, в том числе:

РОС МАШМНМЛЬНАЯ

вИМ НОТИСА

1

3

- обеспечение оптимальных углов давления в реечном зацеплении;

- разработка метода кинематического расчета рычажно-центроидной схемы механизма;

- оценка фактора несопряженности цевочного варианта реечного зацепления.

3. Разработка структурных схем и параметрический анализ четырех-, шести- и восьмизвенных импульсных рычажно-реечных механизмов привода двухколесного велосипеда.

4. Исследование нагруженности и разработка методики расчета на прочность зубчатой рейки.

5. Разработка конструкций, изготовление, испытание велосипедов с предложенными механизмами приводов.

Объект исследования. Импульсный механизм для преобразования возвратного движения во вращательное.

Предмет исследования. Передаточные функции, углы давления, нагруженность и прочность рейки, переходные режимы работы механизма привода.

Методы исследований. При проведении патентного поиска "по ключевым словам" использован Интернет. При определении передаточных функций рычажно-зубчатых механизмов применены современные аналитические методы кинематического анализа. Расчеты и решение систем уравнений,' полученных в результате исследования, осуществлены с помощью системы компьютерной математики MATHCAD. Прочностной расчет рейки выполнен методом конечных элементов при помощи модуля АРМ FEM2D программного пакета Win Machine.

Новизна положений, выносимых на защиту:

- разработан метод определения передаточной функции рычажно-реечного механизма;

- предложена начальная кривая рейки рычажно-реечной передачи, обеспечивающая постоянство углов давления в зацеплении - логарифмическая спираль и исследована возможность ее замены дугой окружности;

- оценена кинематическая погрешность несопряженности цевочного зацепления рейки с колесом и доказана возможность его использования в биоприводе;

- выявлены особенности прочностного расчета рычажно-реечного механизма, разработана методика расчета на прочность зубчатой рейки, выполненной по логарифмической спирали;

- предложены новые схемы импульсных рычажно-реечных (зубчатых) механизмов.

Практическая ценность работы:

- выполнен патентный поиск и проведена систематизация механизмов привода транспортных средств, приводимых в движение мускульной силой человека;

предложена конструкция рычажно-реечного импульсного мультипликатора, обладающая лучшими характеристиками, чем известные передачи данного класса;

- разработана серия конструкций импульсных механизмов привода велосипеда, обеспечивающих бесступенчатое регулирование передаточного отношения в необходимом диапазоне;

-проведены испытания образцов велосипедов с реечным приводом, показавшие положительные результаты.

Реализация работы. Предложенные конструкции механизма для преобразования возвратного движения во вращательное, содержащие реечную передачу применены в опытных образцах велосипедов, которые испытаны в дорожных условиях.

Апробация полученных в диссертации научных и практических результатов осуществлялась на следующих конференциях и семинарах: Всероссийская научно - техническая конференция "Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин", Курган, 2003 г.; на научном семинаре кафедры "Детали машин" Курганского государственного университета, Курган, 2002 г., апрель 2004 г., июнь 2004г.; на научном семинаре "Совершенствование технико-эксплуатационных показателей механизмов и машин" Курганского государственного университета, Курган, 30 сентября 2004г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 169 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти разделов, основных результатов работы, содержит 86 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 53 наименований, приложение.

Во введении обоснована актуальность темы, обрисовано современное состояние вопроса, определена необходимость разработки.

В первом разделе проведен анализ и разработана классификация известных механизмов, используемых или пригодных к использованию в мускульном приводе, соответствующем по параметрам транспортному средству.

В качестве первого классификационного признака привода принято то относятся ли они к цикловым (т.е. имеют постоянно действующие связи, одну степень свободы и работают по жесткому циклу), или к импульсным (т.е. преобразуют колебательное движение в одностороннее вращательное или поступательное движение при периодическом замыкании и размыкании кинематической цепи). К настоящему времени, благодаря работам М.А. Айзермана, А.С. Антонова, СП. Баженова, М.Ф. Балжи, А.А. Благонравова, Р.Н. Болдырева, А.П. Бессонова, ГГ. Васина, М.П. Горина, А.Ф., Дубровского, С.Н. Кожевникова, А.И. Леонова, А.В. Мальцева, В.И. Пожбелко, ВА. Умняшкина, Н.М. Филькина и других ученых известно довольно много конструкций импульсных передач. Почти все из них являются редукторами, то есть предназначены для понижения частоты вращения ведомого звена по сравнению

с частотой ведущего. В мускульном же приводе, как правило, требуется повышение частоты вращения ведомого звена, то есть он должен быть мультипликатором. Таких импульсных механизмов известно немного.

Материалы об известных по патентной и технической литературе технических решениях, касающихся мускульных приводов как циклового, так и импульсного типов представлены в форме обобщенной структуры с основными элементами* входное звено; дополнительное устройство возврата и синхронизации педалей (для импульсных механизмов); передаточный механизм; механизм свободного хода (МСХ), аккумулятор энергии, ведомое вращающееся звено.

В результате анализа предпочтение отдано импульсным приводам, в которых функции передач и МСХ выполняет один механизм - рычажно-реечная передача, предложенная В.А. Вакуленко, которая весьма мало изучена. Определена цель работы, выделены задачи по совершенствованию данного типа привода.

Во втором разделе исследуются особенности функционирования и пути совершенствования выбранной рычажно-зубчатой повышающей передачи (рис.1).

Рис 1 Рычажно-зубчатая повышающая передача

Одна из особенностей связана с видом кинематической пары, образуемый рейкой 5 и зубчатым колесом 2. Касание зубьев в ней происходит не только по боковым поверхностям, но и по вершинам - впадинам. Обычные, например эвольвентные, зубья не приспособлены к эксплуатации в таких условиях. Поэтому в работе принято решение об использовании цевочного зацепления.

В известном варианте рычажно-реечной передачи центроида рейки выполнена по окружности с неопределенными параметрами, что ведет к неоптимальным, переменным по времени значениям угол давления а в зацеплении. Предложено изготавливать рейку с центроидой, являющейся логарифмической спиралью с полюсом в шарнире (что обеспечивает постоянство угла а): г = ае, где г, <р- полярные координаты спирали; а -постоянная, равная радиусу г при угле <р= 0. Согласно выполненного исследования рекомендуется значение

Анализ показал, что в технической (в т.ч. посвященной зубчато-рычажным механизмам) литературе не описан метод определения передаточного отношения при переменной кривизне центроиды рейки. Автором эта задача решена следующим образом.

Представим рассматриваемую передачу как совокупность двух механизмов (рис. 2): рычажного (в простейшем случае он содержит одно подвижное звено - коромысло 1) и зубчатого, включающего ведомое зубчатое колесо 2 и рейку (зубчатый сектор) 3. Зубчатый механизм дополнен воображаемым ползуном 4, скользящим по направляющей 5. Точка контакта звеньев 2 и 3 является мгновенным центром относительного вращения. В конкретный момент времени ее можно заменить шарниром "К", а отрезок ВК становится звеном заменяющего механизма, и его длину / при дифференцировании по времени или его аналогу следует считать постоянной.

Рис. 2. К выводу передаточного отношения рычажно-зубчатой передачи

Решение соответствующей геометро-математической задачи позволяет выразить передаточное отношение 12П заменяющего зубчатого механизма:

где г - начальный радиус зубчатого колеса; Л - расстояние ЛВ; г„ = гажа.

Для нахождения передаточного отношения 12, всего механизма (рис.2) обратим внимание на то обстоятельство, что параметры и

однозначно определяются углом поворота ведущего звена, то есть

являются функциями одного аргумента. Поэтому производную

можно рассматривать как производную сложной функции нескольких переменных при наличии одной независимой переменной.

При то есть когда рейка совершает поворот как жесткое целое с

колесом . Таким образом, выражение передаточной

функции рычажно-зубчатого механизма принимает вид:

где ¡2П - передаточная функция зацепления рейки с колесом, зависящая

только от величины межосевого расстояния - передаточная

функция, показывающая изменение величины Я (расстояния Я=ЛО) от угла <р{ положения ведущего коромысла и зависящая от конструкции рычажной части

механизма; — - зависимость угла доворота колеса от угла поворота коромысла

<р, при изменении только направления радиуса й = АО .

На базе разработанного метода определения передаточного отношения выполнена расчетная оценка погрешности передаточного отношения, связанная с использованием несопряженного цевочного зацепления.

1 Установлено, что с увеличением числа зубьев звездочки передаточные пункции становятся более равномерными; при внешнем зацеплении рейки со звездочкой неравномерность передаточной функции больше, чем при внутреннем зацеплении; при характерных для велосипеда значениях параметров

2 = 16

0,26. Такая неравномерность хода допустима при малых скоростях, характерных для мускульного привода.

Существенными являются особенности работы рассматриваемой импульсной передачи при холостом ходе рейки и в переходных режимах. В известной реечной передаче, в отличие от обычных храповых механизмов (в особенности от микрохраповых), массивная рейка выступает в роли многозубой собачки и при своем обратном ходе слишком сильно соударяется с колесом.

18, R/r = 5 -г 15 коэффициент неравномерности S -Дш/о)^ = 0,24 -f

В работе предложено конструктивное решение (рис.3), включающее подтормаживающее устройство в шарнире 2, образуемом рейкой 3 с ведущим коромыслом 1, и закрепленный на стойке роликовый упор 5. Благодаря чему при обратном ходе ведущего коромысла 1 рейка 3 силами трения отводится от колеса 4, а при рабочем ходе прижата к нему. Подбором величины момента трения в шарнире, а также правильного соотношения геометрических параметров механизма достигается надежное зацепление и бесшумная работа механизма при обратном ходе.

Третий раздел посвящен параметрическому анализу кинематических схем привода (преимущественно двухколесного велосипеда), отличающихся своей рычажной частью. По соображениям снижения трения рассматривалась только схемы механизмов второго класса с вращательными парами, состоящие из четырех, шести или восьми звеньев (рис. 4).

Математические модели рассматриваемых механизмов при выполнении поставленной задачи были доведены до уравнений, решаемых в явном виде. Их исследование проводилось с помощью ЭВМ в среде MATHCAD.

Анализ проводился по таким параметрам, как характер передаточной функции i((p) механизма, диапазон варьирования / при изменении одного из параметров рычажной части механизма, при соблюдении ограничений по углам давления в рычажной части, углу входа в зацепление, компоновочных и других ограничений, связанных с использованием привода в двухколесном заднеприводном велосипеде.

Среди четырехзвенных механизмов для двухколесного велосипеда по всем критериям пригодна только схема б (рис. 4) с внешним зацеплением рейки при варьировании длины ведущего коромысла. Кривые передаточных функций, получаемые при этом, показаны на рис. 5. Эти схемы обеспечивают трехкратное варьирование передаточного числа за счет изменения длины ведущего звена. Изменение передаточного числа в течение рабочего хода составляет 30%.

Схема в (рис. 4) имеет весьма благоприятные характеристики, но не компонуется в конструкции двухколесного велосипеда.

Среди шестизвенных механизмов выявлено несколько работоспособных схем. В конечном счете, по характеру передаточной функции (рис. 6) предпочтительна схема е (рис. 4).

В четвертом разделе решаются вопросы прочности рейки, методика расчета которой, в отличие от других элементов конструкции механизма привод, отсутствует.

Сложность задачи в том, что рейка представляет собой кривой брус с концентраторами. До сих пор отсутствовали решения для указанного класса задач. Формула для расчета максимального напряжения в рейке имеет вид:

= k(aM±aN) ,

где к - теоретический коэффициент концентрации напряжений; ати - номинальное напряжение.

Рейка испытывает внецентренное растяжение или сжатие (рис. 7, 8).

Коэффициент концентрации напряжений был определен методом конечных элементов с помощью программного пакета Win Machin. Рассмотрена задача теории упругости для плоского напряженного состояния. Для оценки точности примененной программы проведено тестирование с использованием известных теоретических и опытных данных.

В качестве простейшей расчетной модели зубчатой рейки (рис. 7) выбрана пластина постоянной кривизны единичной толщины, очерченная двумя концентричными окружностями с круговой выкружкой. То есть учтено искривление ее продольной оси и наличие концентратора. В результате устанавливалось максимальное эквивалентное напряжение. По найденным напряжениям вычислялся теоретический коэффициент концентрации напряжений.

Реальная зубчатая рейка имеет переменную кривизну и много выкружек (рис.8). Для более точного учета этих особенностей геометрии рейки, использована другая расчетная схема: пластина единичной толщины очерчена логарифмической спиралью, на которой находятся центры окружностей

И

выкружек. 11 выкружек расположены так, что средняя из них нахонаходится на линии максимального эксцентриситета. По найденным напряжениям вычислялся теоретический коэффициент концентрации напряжений (рис. 9).

Для упрощения расчетов на прочность зубчатой рейки, использован подход, принятый для расчета на изгибную прочность зубьев зубчатых колес, то есть с помощью коэффициента формы зубчатой рейки, а именно:

20

Рис 9 Графики для определения коэффициента концентрации напряжений и коэффициента формы зубчатой рейки

где Р - сила, действующая на зубчатую рейку; у - коэффициент формы зубчатой рейки (рис. 9), равный максимальному местному напряжению, возникающему на дне выкружки рейки единичной толщины под действием единичной силы.

В пятом разделе приведены конструкции велосипеда с различными вариантами'импульсных) привода и обсуждаются их достоинства и недостатки, выявленные в процессе изготовления и испытания. Велосипед (рис. 10), изготовленный по схеме б (рис. 4) показал свою принципиальную работоспособность. Его основной недостаток - возможность потери устойчивости системой звеньев, работающей на сжатие.

Рис 10 Рис И Рис 12

Велосипеды с шестизвенными механизмами привода были изготовлены по схемам г, дне (рис. 4). Схема г, как и ожидалось, оказалась неработоспособной по условиям входа рейки в зацепление. Схема д с регулируемой длиной ведущего коромысла работоспособна, однако, та же схема с варьированием

параметра поддерживающего коромысла более компактна (рис. 11). Наибольшие удобства регулирования передаточного отношения обеспечивает схема е, в которой варьируется параметр стойки (рис. 12).

Как и любая механическая передача, предложенный рычажно-реечный механизм может иметь весьма широкую область применения. Рассматривалась возможность применения импульсного мускульного привода в различных технологических машинах, в частности заточном станке.

ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ и предложена классификация существующих технических решений в области механизмов приводов транспортных средств, использующих мускульную силу человека, согласно которой все механизмы привода разделены на две группы: цикловые и импульсные. Предложены обобщенные структуры привода.

2. По результатам выполненного анализа для дальнейшего исследования выбрана перспективная схема импульсной рычажно-реечной повышающей передачи, совмещающей функции МСХ, допускающая изменение передаточного числа.

3. Предложено в качестве начальной кривой рейки использовать логарифмическую спираль, что осуществляет постоянство угла давления в зацеплении. Получен патент РФ на изобретение. Проанализирована возможность аппроксимации логарифмической спирали дугой окружности.

4. Предложен принцип и разработана конструкция устройства, обеспечивающего надежную работу механизма в переходных режимах и отсутствие шума на холостом ходу. Получен патент РФ на изобретение.

5. Разработан метод и выполнено кинематическое исследование рычажно-центроидной схемы механизма. Получены зависимости передаточных функций, углов входа в зацепление, углов давления в рычажной части механизмов от геометрических параметров для различных схем рычажно-реечных механизмов.

6. Оценено влияние на передаточную функцию механизма несопряженности цевочного варианта реечного зацепления. Сделан вывод о допустимости использования последнего в условиях малых скоростей мускульных приводов.

7. Для расчета на прочность зубчатой рейки применен метод конечных элементов. Получены теоретические коэффициенты концентрации напряжений кривого бруса постоянной кривизны с выкружкой и для рейки, выполненной по логарифмической спирали, с рядом односторонних выкружек. Предложен метод расчета на прочность зубчатой рейки при помощи коэффициента формы рейки.

8. Разработаны структурные схемы четырех-, шести- и восьмизвенных рычажно-реечных механизмов привода двухколесного велосипеда, допускающие регулирование передаточного отношения в процессе движения. В том числе -схемы с варьируемым параметром стойки. Получено решение о выдаче патента на изобретение.

9. Разработаны конструкции велосипедов с импульсным педальным приводом, содержащие рычажно-реечную передачу, подтвердившие свою работоспособность в процессе испытаний.

10. Предложена схема привода заточного станка, основанная на использовании импульсной повышающей рычажно-реечной передачи.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Волков Г.Ю., Тютрина Л.Н. Обобщенные структуры циклового и импульсного биоприводов транспортных средств // Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин: Сб. кратких научных сообщений Всероссийской научно-технической конференции. Отв. ред. А.В. Юркевич.- Курган, Изд-во Курганского гос. ун-та, 2003.- С. 74- 77.

2. Волков Г.Ю., Тютрина Л.Н. Основания выбора начальной кривой рейки храпового мультипликатора// Там же. - С. 122-124.

3. Тютрина Л.Н. Параметрический анализ механизмов варьирования амплитуды импульсов привода велосипеда// Там же. - С. 77-79.

4. Пат. 2223430 РФ, МПК F 16 Н 19/04. Механизм для преобразования возвратного движения во вращательное / Волков Г. Ю. , Тютрина Л.Н. (РФ); Курганский государственный университет,- №2001133594; Заявлено 10.12.2001; Опубл. 10.02.2004, Бюл. № 4 // Изобрете-ния. Полезные модели.- 2004.- №4 (ч.Ш).-С.586-587.

5. Пат. 2230244 РФ, МПК F 16 Н 19/04. Реечная передача / Волков Г.Ю., Тютрина Л.Н. (РФ); Курганский государственный университет.- №2003105536; Заявлено 25.02.2003; Опубл. 10.06.2004, Бюл. № 16 // Изобретения. Полезные модели.- 2004.-№16 (ч.П).-С395.

6. Тютрина Л.Н. Исследование реечной передачи с промежуточными телами на основе кривошипно-ползунного механизма// Сборник научных трудов аспирантов и соискателей Курганского государственного университета (технические и педагогические науки). Вып. III. - Курган: Изд - во Курганского гос. ун-та, 2001.-С. 45-48.

7. Тютрина Л.Н. Математическая модель и кинематический синтез зубчато - рычажного механизма привода велосипеда// Сборник научных трудов аспирантов и соискателей Кур-ганского государственного университета (естественные, технические и экономические науки) - Курган: Изд-во КГУ, 2003. -С. 83-87.

8. Тютрина Л.Н. Влияние параметров начальной кривой рейки на силовую работоспособность храпового мультипликатора// Там же. - С. 87-91.

9. Заявка 2003110561 (011223) РФ, МКИ В 62 М1/04. Мускульный привод транспортного средства / Волков Г. Ю. (РФ), Тютрина Л.Н. (РФ); Курганский государственный ун-тет.-Заявлено 14.04.2003, Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 22.07.2004.

10. Тютрина Л.Н. Параметрическое исследование зубчато - храпового механизма// Сборник научных трудов аспирантов и соискателей Курганского государственного университета (экономические, педагогические и технические науки). Вып. IV.- Курган: изд -во Курганского гос. \ н-та, 2002.- С. 133-136.

Научное издание

Тютрина Лариса Николаевна

АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ РЫЧАЖНО-РЕЕЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДЛЯ МУСКУЛЬНЫХ ПРИВОДОВ

Автореферат диссертации на соискание \ченой степени кандидата технических на\к

12208}

Г

РНБ Русский фонд

2005-4 19270

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЗМОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИЛИ ПРИГОДНЫХ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В МУСКУЛЬНОМ ПРИВОДЕ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА.

1.1. Понятия циклового и импульсного механизмов привода.

1.2. Цикловой привод.

1.2.1. Модификация траектории ведущего элемента.

1.2.2. Дополнительные приводы входного элемента.

1.2.3. Передаточный механизм.

1.2.4. Устройства модификации закона движения.

1.2.5. Механизмы изменения передаточного отношения.

1.3. Импульсный привод.

1.3.1. Входной элемент.

1.3.2. Дополнительные устройства возврата и синхронизации педалей.

1.3.3. Виды передач.

1.3.4. Механизм свободного хода.

1.3.5. Аккумулирование энергии.

1.4.Принципы действия устройств параметрического изменения передаточного отношения импульсного привода.

1.4.1. Изменение длины плеча ведущего звена.

1.4.2. Изменение радиуса ведомого звена.

1.4.3. Включение дополнительных звеньев и варьирование их параметров.

Причины, поддерживающие неослабевающий интерес к механизмам, приводимым в движение мускульной силой человека, лежат в сферах экономики, экологии и физической культуры. Это и средства малой механизации, и технологические машины, и транспортные средства, в частности велосипеды.

В пределах небольших расстояний, в центральных частях городов, которые часто закрыты для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, применение велотранспорта является одним из наиболее реальных решений проблемы загрязнения окружающей среды. При этом необходимые затраты на организационно-технические мероприятия будут минимальны по сравнению с другими возможными решениями. Актуальной эта тема является и в связи с естественной заботой человека о сохранении и укреплении своего здоровья.

Классическая схема двухколесного велосипеда с вращающимися педалями и цепной передачей в течение длительной истории своего существования доведена до высокой степени совершенства. Возможно, на данном этапе развития технологии она является идеальной для тех моделей велосипедов, которыми пользуются здоровые, физически развитые и специально тренированные люди. Однако область использования мускульной силы человека в приводах транспортных средств шире.

Не всем и не всегда удобно вращательное движение педалей. Людям с ограниченными физическими возможностями, инвалидам, передвигающимся в колясках с ручным приводом, больше подходит возвратное движение педалей (или рукояток) по дуговой или прямолинейной траектории.

С другой стороны, с наличием цепи либо с вращательным движением педалей, плохо сочетаются компоновочные особенности ряда транспортных средств, например, веломобилей.

Возвратное движение приводных звеньев транспортного средства может быть преобразовано во вращение ведущего колеса с помощью либо циклового, либо импульсного механизма. В последнем случае, помимо возможности включения привода в любой фазе движения педалей (рукояток), появляется возможность бесступенчатого регулирования передаточного отношения. Именно этот вариант схемы привода стал предметом предлагаемого исследования.

Практическое использование импульсного привода не ограничивается только транспортными средствами, однако отработку его принципиальной конструкции и ее апробирование представляется более удобным произвести на обычной схеме двухколесного велосипеда.

Предметом детального исследования, выполненного автором, явился конкретный вид импульсного механизма. Но ввиду отсутствия систематизированной информации, для корректного решения поставленных задач оказалось необходимым уточнение классификационных признаков и проведения патентного поиска в области механизмов, используемых или пригодных к использованию в биоприводах. Этому и посвящен первый раздел диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ и предложена классификация существующих технических решений в области механизмов приводов транспортных средств, использующих мускульную силу человека, согласно которой все механизмы привода разделены на две группы: цикловые и импульсные. Предложены обобщенные структуры привода.

2. По результатам выполненного анализа для дальнейшего исследования выбрана перспективная схема импульсной рычажно-реечной повышающей передачи, совмещающей функции МСХ, допускающая изменение передаточного числа.

3. Предложено в качестве начальной кривой рейки использовать логарифмическую спираль, что осуществляет постоянство угла давления в зацеплении. Получен патент РФ на изобретение. Проанализирована возможность аппроксимации логарифмической спирали дугой окружности.

4. Предложен принцип и разработана конструкция устройства, обеспечивающего надежную работу механизма в переходных режимах и отсутствие шума на холостом ходу. Получен патент РФ на изобретение.

5. Разработан метод и выполнено кинематическое исследование рычажно-центроидной схемы механизма. Получены зависимости передаточных функций, углов входа в зацепление, углов давления в рычажной части механизмов от геометрических параметров для различных схем рычажно-реечных механизмов.

6. Оценено влияние на передаточную функцию механизма Несопряженности цевочного варианта реечного зацепления. Сделан вывод о допустимости использования последнего в условиях малых скоростей мускульных приводов.

7. Для расчета на прочность зубчатой рейки применен метод конечных элементов. Получены теоретические коэффициенты концентрации напряжений кривого бруса постоянной кривизны с выкружкой и для рейки, выполненной по логарифмической спирали, с рядом односторонних выкружек. Предложен метод расчета на прочность зубчатой рейки при помощи коэффициента формы рейки.

8. Разработаны структурные схемы четырех-, шести- и восьмизвенных рычажно-реечных механизмов привода двухколесного велосипеда, допускающие регулирование передаточного отношения в процессе движения. В том числе - схемы с варьируемым параметром стойки. Получено решение о выдаче патента на изобретение.

9. Разработаны конструкции велосипедов с импульсным педальным приводом, содержащие рычажно-реечную передачу, подтвердившие свою работоспособность в процессе испытаний.

10.Предложена схема привода заточного станка, основанная на использовании импульсной повышающей рычажно-реечной передачи.

1. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины: Учебник для вузов,- М.: Высш. шк., 1979.- 558 с.

2. Артоболевский И.И. Теория механизмов,- М.: Наука, 1967.- 720 с.

3. А. с.1281787 СССР, МКИ F 16 Н 19/04. Реечная передача/ В.А.Вакуленко (СССР).-№3856395/25-28; Заявлено 18.12.84; Опубл. 07.01.87, Бюл. №1.- 2 е.: ил.

4. А. с. 1326822 СССР, МКИ F 16 Н 19/02. Зубчатый мехнизм/ В.П.Прохоров, Н.И.Прохорова (СССР).-№3904135/25-28; Заявлено 03.06.86; Опубл. 30.07.87, Бюл. №28// Открытия. Изобретения,- 1987.- №28,- С. 126.

5. А. с. 1733029 СССР, МКИ А 63 Н 29/20. Привод для транспортной игрушки /В.М.Алютин (СССР).-№4779851/ 12; Заявлено 08.01.90; Опубл. 15.05.92, Бюл. №18// Открытия. Изобретения.- 1992.- №18,- С. 31.

6. Балжи М.Ф., Леонов А.И. К анализу некоторых схем планетарных импульсных механизмов// Сборник статей «Конструирование и расчет гусеничных машин».- Челябинск: Изд во ЧПИ, 1967.Вып. 44, - С. 49-50.

7. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник.- М.: Машиностроение, 1979.- 702 с.

8. Благонравов A.A. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа.- М.: Машиностроение, 1977.- 143 с.

9. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.- М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1962,- 608 с.

10. ГОСТ 6693-83* Велосипеды. Основные параметры и размеры.- М.: Изд-во стандартов, 1988,- 4 с.

11. Волков Г.Ю. Исследование червячных передач с фиксированными шариками: Дис. .канд. техн. наук.- Курган, 1982.- 234 с.

12. Волков Г.Ю. О построении универсального языка описания механизмов// Теория механизмов, прочность машин и аппаратов: Сб. науч. тр. Вып. 2.- Курган: Изд-во Курганского гос. университета, 1997.-С. 49-58.

13. Волков Г.Ю. Структура и метрика механизмов: Учебное пособие.-Курган: Изд-во Курганского гос. университета, 1998.-35 с.

14. Довиденас В.И. Веломобили.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986.- 112 с.

15. Долматовский Ю.А. Автомобиль за 100 лет,- М.: Знание, 1986.- 240 с.

16. Дьяконов В.П. МаШсас! 2000: учебный курс.- СПб: Питер,2000,- 592с.

17. Заявка 2003105536 (005758) РФ, МКИ F 16 Н 19/04; В 62 М1/04. Реечная передача / Волков Г. Ю. (РФ), Тютрина JI.H. (РФ); Курганский государственный университет .-3аявлено25.02.2003; 0публ.2004, Бюл. № 27(ч.1). С.146.

18. Заявка 2003110561 (011223) РФ, МКИ В 62 М1/04. Мускульный при вод транспортного средства / Волков Г. Ю. (РФ), Тютрина JI.H. (РФ); Курганский государственный университет.-Заявлено 14.04.2003.

19. Карелин B.C. Проектирование рычажных и зубчато-рычажных механизмов: Справочник.- М.: Машиностроение, 1986.- 180 с.

20. Крайнев А.Ф. Механика машин.: Фундаментальный справочник,- М Машиностроение, 2000.- 904 с.

21. Леонов А.И. Инерционные автоматические трансформаторы вращающего момента.- М.: Машиностроение, 1978.- 223 с.

22. Леонов А.И. Микрохраповые механизмы свободного хода.- М.: Машиностроение, 1982.- 219 с.

23. Леонов А.И., Дубровский А.Ф. Механические бесступенчатые нефрикционные передачи непрерывного действия.- М.: Машиностроение, 1984,- 192 с.

24. Леонов А.И., Ефимов Н.П. Бесступенчатые рычажно-фрикционные передачи.- М.: Машиностроение, 1987.- 135 с.

25. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений,- М.: Наука, 1968.- 584 с.

26. Любовицкий В.П. Гоночные велосипеды.- Л.: Машиностроение. Ле-нингр. отд-ние, 1989.- 319 с.

27. Мальцев В.Ф. Механические импульсные передачи.- М.: Машиностроение, 1978.- 367 с.

28. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР.- М.: Высш. шк., 1990,- 335 с.

29. Пат. 2141909 РФ, МКИ В 62 М 1/16. Мускульный привод транспортного средства /А.К.Исмаилов (РФ).-№98112945/28; Заявлено 08.07.98;Опубл. 27.11.99, Бюл. №33 (ч. II)//Изобретения.-1999.-№33 (ч.П).-С.148.

30. Пат. 2230244 РФ, МПК F 16 Н 19/04. Реечная передача / Волков Г. Ю. , Тютрина JI.H. (РФ); Курганский государственный университет.-№2003105536; Заявлено 25.02.2003; Опубл. 10.06.2004, Бюл. № 16 // Изобретения. Полезные модели.- 2004.- №16 (ч.П).-С.395.

31. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений: Графики и формулы для расчета конструктивных элементов на прочность.- М.: Мир, 1977.-304 с.

32. Пожбелко В.И.Инерционно-импульсные приводы машин с динамическими связями.- М.: Машиностроение, 1989,- 132 с.

33. Поляков B.C., Барбаш И.Д. Муфты. Конструкции и расчет,- JI.: Машиностроение, 1973.- 336 с.

34. Савелов A.A. Плоские кривые. Систематика, свойства, применение: Справочное руководство.- М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, I960.- 296 с.

35. Савин Г.Н., Тульчий В.И. Справочник по концентрации напряжений.- Киев: Вища школа, 1976,- 412 с.

36. Сопротивление материалов/ Под общ. ред. Писаренко Г.С.-Киев: Вища школа, 1973.- 672 с.

37. Таурок В.Г. Механические бесступенчатые передачи.- М.: Машгиз, 1947.- 154 с.

38. Теория механизмов и механика машин: Учеб. для втузов/ К.В.Фролов, С.А.Попов, А.К.Мусатов и др.; Под ред К.В.Фролова.- М.: Высш. шк., 1998.-496 с.

39. Шашкин A.C. Зубчато-рычажные механизмы.- М.: Машиностроение, 1971,- 192 с.

40. Шашкин A.C. Регулируемые зубчато-рычажные и волновые меха-низмы.-Воронеж: Изд-во Воронеж, ун-та, 1987.- 248 с.